基于多角度圖像的水稻稻谷幾何建模方法研究

青克樂其其格,郭新宇,肖伯祥,溫維亮

(1.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心,北京100097 2.首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院,北京 100048))

基于多角度圖像的水稻稻谷幾何建模方法研究

青克樂其其格1,2,郭新宇1,肖伯祥1,溫維亮1

(1.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心,北京100097 2.首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院,北京 100048))

為實現(xiàn)水稻稻谷的幾何建模和真實感顯示,本文提出了一種基于多角度圖像的稻谷三維形態(tài)建模方法。利用數(shù)字視頻顯微鏡采集稻谷的顯微圖像,提取稻谷圖像邊緣點的二維形態(tài)特征參數(shù);通過幾何變換將二維參數(shù)轉(zhuǎn)換成三維形態(tài)特征參數(shù);最后,用B樣條曲線曲面擬合的方法實現(xiàn)了水稻稻谷的三維重建,并使用紋理貼圖和光照處理來增強真實感。結(jié)果表明,本方法重建的稻谷具有較強的真實感,為稻麥谷粒的可視化仿真提供了可行的方法。

水稻谷粒;圖像;三維建模;幾何變換

1 引言

植物的三維形態(tài)特征直接反應(yīng)了其遺傳特性和對環(huán)境的適應(yīng)結(jié)果,實現(xiàn)植物三維形態(tài)的精細(xì)重建和真實感顯示具有重要意義。水稻是世界上最重要的糧食作物之一。近年來,國內(nèi)外學(xué)者越來越關(guān)注水稻結(jié)構(gòu)形態(tài)的可視化仿真研究[2-5]。稻谷是水稻的主要組成部分之一,由于水稻稻谷體積較小,不易獲取和測量其幾何形態(tài)特征,在以往的水稻可視化建模過程中經(jīng)常對其形狀進行簡化處理。孫愛珍等[6]和楊紅云等[7]用2個共底面圓錐體來描述水稻的稻谷,伍艷蓮[8]等用一個橢球體來模擬小穗上的稻谷。由于對稻谷的幾何形態(tài)進行了過度簡化處理,不能準(zhǔn)確地體現(xiàn)稻谷的形狀特征。Ogawa[1]等用切片的方法重建了水稻稻谷模型,但是這種方法對實驗設(shè)備的要求較高,不易獲取觀測數(shù)據(jù)。

由于水稻稻谷的體積較小,用三維掃描儀只能獲得一些雜亂無章的特征點或點云數(shù)據(jù),不能高效快捷的實現(xiàn)稻谷的三維建模。對此,本文獲取稻谷多角度圖像的基礎(chǔ)上提出一種基于圖像的稻谷三維形態(tài)簡易建模方法。

2 水稻稻谷二維形態(tài)參數(shù)提取及圖像獲取方法

水稻稻谷由稻殼和果實組成,稻殼包裹著果實,一般為橢圓形(見圖1)。假設(shè)稻谷橫切面(見圖1(B))的中心在坐標(biāo)原點,用直線連接6個棱與坐標(biāo)原點,通過測量發(fā)現(xiàn)這6條連線之間的夾角為60°左右。本文認(rèn)為水稻稻谷形狀是由六個棱的形態(tài)所決定的。

本文采集了鎮(zhèn)稻88的蠟熟期和完熟期的顯微圖像,結(jié)合稻谷形狀特征提出了旋轉(zhuǎn)固定角度—采集平面圖像的圖像測量方法。

通過數(shù)字視頻顯微鏡(Digital video Microscope)可以采集到水稻稻谷的顯微圖像。但是用數(shù)字視頻顯微鏡觀察到的是稻谷的二維圖像,需要對其進行相關(guān)處理,轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù)。在數(shù)字視頻顯微鏡下調(diào)整好角度,我們可以觀察到水稻稻谷的一個面(有四個棱,見圖1(A)),用線代表能夠觀察到的四個棱,假設(shè)看到的是線1、線2、線3和線5(圖2中的實線)。繞x軸逆時針方向旋轉(zhuǎn)60°后,所觀察到的是線6、線1、線3和線5。

假設(shè)水稻稻谷的中心點在原點。采集平面圖像的步驟如下:首先,采集稻谷的正面(可以觀察到谷粒的四個棱)照片,然后把稻谷旋轉(zhuǎn)60°后再采集一次圖像,再旋轉(zhuǎn)60°后再采集一次圖像,在旋轉(zhuǎn)的過程中不能移動稻谷(這樣保證了每次旋轉(zhuǎn)之后稻谷的兩端點,也就是六條線交點的坐標(biāo)不變)。

圖2 水稻稻谷繞x軸旋轉(zhuǎn)的示意圖

3 水稻稻谷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

獲取不同角度的稻谷二維數(shù)據(jù)后,要把二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù)。第一次是旋轉(zhuǎn)了60°,通過繞x軸旋轉(zhuǎn)60°即可對當(dāng)前邊緣點坐標(biāo)進行從二維到三維的變換。轉(zhuǎn)換公式為:

第二次是在第一次繞旋轉(zhuǎn)60°的基礎(chǔ)上再繞x軸旋轉(zhuǎn)60°,也就是共繞 x軸旋轉(zhuǎn)120°,計算公式為

可以用圖像處理軟件(如Photoshop,Fireworks,ACD see等圖像處理軟件)在三次采集的圖像上獲取其邊緣點的二維坐標(biāo)。整個采集圖像過程和數(shù)據(jù)處理過程可以用圖3來表示。

4 稻谷的幾何建模

水稻稻谷的形狀主要由六條曲線所決定,獲得六條曲線上點的三維坐標(biāo)后,可以用曲面擬合的方法表示稻谷的形狀。由于B樣條曲線曲面具有形狀控制直觀、局部性狀特征。k次B樣條曲線方程定義如下:

其中di(i=0,1,…,n)成為B樣條曲線控制頂點,其順序連成的折線成為B樣條控制多邊形,U=[u0,u1,…,un+k+1](u0≤u1≤…≤un+k+1)稱為節(jié)點矢量,Bi,k(u)(i=0,1,…,n)稱為k次規(guī)范B樣條基函數(shù)。它是由節(jié)點矢量所決定的k次分段多項式。k次規(guī)范B樣條基函數(shù)的遞歸定義如下:

圖3 谷粒的圖像采集和數(shù)據(jù)處理全過程的示意圖

本文采用三次均勻B樣條曲線擬合這六條曲線,再用B樣條曲面擬合稻谷的三維形態(tài)。圖4為稻谷模型的線框圖。

圖4 水稻谷粒模型的線框圖

稻谷外殼上長有絨毛,可以用多種方法生成絨毛,為了同一數(shù)學(xué)表示方法,本文用B樣條曲線近似表示稻谷上的絨毛。建立了水稻稻谷的幾何模型后,再用之前采集的顯微圖像對模型進行紋理貼圖,同時添加光照,可獲得真實感很強的稻谷三維模型。

5 實驗結(jié)果

本文用DM-220-XY數(shù)字視頻顯微鏡(Digital video Microscope)采集鎮(zhèn)稻88稻谷的不同角度的顯微圖像,用Adobe Photoshop cs4獲取稻谷邊緣二維數(shù)據(jù)。水稻稻谷的三維重建是在Windows平臺上,以Visual C++2005為開發(fā)工具,以O(shè)penGL為圖形平臺實現(xiàn)的。圖5為不同時期水稻稻谷三維模型。實驗結(jié)果表明用本文提出的方法建立的稻谷三維模型能夠很好地表示水稻稻谷的形狀特征,模型具有較強的真實感。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于多角度圖像的獲取水稻稻谷三維數(shù)據(jù)的方法,在此基礎(chǔ)上建立了稻谷三維幾何模型。首先用數(shù)字視頻顯微鏡采集水稻稻谷多角度顯微圖像,然后通過幾何變換將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù),獲取三維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上用曲線曲面擬合技術(shù)重建稻谷三維模型,并用紋理貼圖和光照處理等技術(shù)加強了模型的真實感。

圖5 不同時期水稻稻谷三維模型

[1]Ogawa Y,Kuensting H,Sugiyama J,Ohtani T,Liu X,Kokubo M,Kudoh K,Higuchi T.Structure of a rice grain represented by a new three-dimension visualization technique[J].Journal of Cereal Science,2002,36(1):1-7.

[2]劉曉東,曹云飛,劉國榮等.基于NURBS曲面的水稻葉形態(tài)建模[J].微電子學(xué)與計算機,2004,(9):117-124.

[3]孫愛珍,楊紅云,何火嬌,等.水稻葉片三維可視化建模[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(4):1320-1321,1423.

[4]楊紅云,羅威,何火嬌,等.水稻主莖三維形態(tài)建模與計算機模擬[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,30(6):1153-1160.

[5]劉桃菊,唐建軍等.水稻形態(tài)的分形特征及其可視化模擬研究[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,2 4(5):583-586.

[6]孫愛珍,楊紅云,何火嬌,等.水稻稻穗形態(tài)建模及其可視化研究[J].計算機應(yīng)用與軟件,2009,26(5):96-97.

[7]楊紅云,孫愛珍,何火嬌,等.水稻稻穗可視化模擬研究及其實現(xiàn)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(5):1732-1733.

[8]伍艷蓮,湯亮,劉小軍,等.基于形態(tài)特征參數(shù)的稻穗幾何建模及可視化研究[J],中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,42(4):1190-1196.

Rice Grain Modeling Based on Multi-perspective Images

QINGKELE Qi-qige,GUO Xin-yu,XIAO Bo-xiang,WEN Wei-liang
(1.National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture,Beijing 100097,China 2.Information Engineering College,Capital Normal University,Beijing 100048,China)

A method based on multi-perspective images is presented for 3D rice grain modeling.Firstly,feature images of rice grain are captured using digital video microscope and 2D feature data of rice grain is extracted.Secondly,2D data is translated into 3D data by geometric transformation.Finally,the rice grain geometric model is reconstructed using B-splines fitting method based on 3D data.Furthermore,texture mapping and lighting are used to improve realistic of grain model.The experimental results show that the visualization model has realistic effect and provide a feasible method for grain's model.

rice grain;image;3D modeling;geometric transformation

TP391.41

A

1673-4793(2011)03-0072-04

2010-07-07

中國高技術(shù)研發(fā)計劃(NO.2007AA10Z224),北京市自然科學(xué)基金(NO.4081001)

青克樂其其格(1983-),女(蒙族),內(nèi)蒙古鄂爾多斯市人,碩士研究生.

(責(zé)任編輯

:龍學(xué)鋒)